機器設(shè)備噪聲測試的新方法--振動法測噪聲

一.引言

對機器設(shè)備噪聲測量最通常的方法是用聲級計進行聲壓級測量，然而在不少場合，這種人們十分熟悉的方法卻顯得無能為力。例如：在正在運行的多臺機器的機房里，需要測定各臺機器的噪聲時；或者要在生產(chǎn)成品的流水線上逐臺檢測每臺產(chǎn)品的噪聲時，都會由于其他聲源的影響以及反射聲的傳入使得聲級計無法顯示被測產(chǎn)品直接輻射的噪聲。隨著科技的發(fā)展，人們自然想到了聲強法。但是目前聲強法的測試儀器較貴，而且測試又較復(fù)雜，仍處于研究階段。于是，人們對聲波的測試開展了振動法的研究。希望通過測量機器表面振動量的方法來確定機器所輻射的噪聲量，通常稱為空氣噪聲的振動測試法。多年理論分析和應(yīng)用研究的結(jié)果表明，這是一種十分簡便而有效的方法。在十分惡劣的環(huán)境條件下，幾乎可以不受環(huán)境噪聲和反射聲的影響，用一種特殊計權(quán)的測振儀就可通過測定機器表面的振動量，來確定其噪聲輻射值。目前這種方法已成功地用于生產(chǎn)實際。

采用測振法在生產(chǎn)現(xiàn)場測試產(chǎn)品的噪聲是在其他方法都無法簡便、迅速、經(jīng)濟和準確的解決產(chǎn)品現(xiàn)場噪聲檢測的情況下而提出的。西德、美國等國家開展此項技術(shù)研究已有多年了，德國BBC公司花費了十幾馬克研究振動法，并成功地將此項技術(shù)用于接觸器的現(xiàn)場噪聲檢測上。美國經(jīng)過多年的研究，已在海軍MIL標(biāo)準中規(guī)定用振動法測定微電機的噪聲。國際ISO標(biāo)準化組織已公布了測振法標(biāo)準技術(shù)文件。

我國是在七十年代末期開始探討測振法的。經(jīng)過十多年的試驗研究，明確了要得到振動法的實際應(yīng)用，必須解決如下6個方面得到技術(shù)問題，即：
（1） 必須獲得各機電產(chǎn)品的實際輻射效率指數(shù)曲線；
（2） 必須解決按聲源尺寸變化的輻射效率指數(shù)曲線制成儀器的計權(quán)網(wǎng)絡(luò)曲線；
（3） 必須解決儀器的校準及分貝量的基準值；
（4） 必須確定各機器表面振動的關(guān)鍵測點；
（5） 必須解決空氣動力噪聲疊加及修正問題；
（6） 對于"流水線"上的檢測還必須解決簡化測點的問題。

通過對電機、電器、電冰箱的試驗研究，解決了上述問題，并研制成了相應(yīng)儀器。

VIB-4電腦振動噪聲測量儀，就是屬于此種儀器。

二.基本原理

聲音是機械振動的結(jié)果，當(dāng)物體出現(xiàn)聲頻范圍內(nèi)的機械振動時，就會使周圍介質(zhì)也發(fā)生相應(yīng)振動，從而以聲波的形式向外輻射聲音。聲波的輻射實質(zhì)上就是機械振動波能量傳遞的過程，所以，對振動聲輻射研究的前提，首先是波的形式問題。

對于一個無限大平面板振動時所輻射的聲波應(yīng)該是平面波，在理想的平面波聲場中聲強是均勻的，任何一處的聲強有效值與該處的聲壓有效值、振動速度有效值之間的關(guān)系是較為簡單的線性關(guān)系，即：

式中 I -- 聲強W/m2
　　 V -- 振動速度m m/s
　　 P -- 聲壓 Pa
　　 PC -- 聲阻抗 瑞利（聲歐）

如果臨近平板介質(zhì)與平板一起振動，則平面的振動速度可以看成臨近介質(zhì)的聲波振動速度，由此可以直接得到近場聲強，或聲強級，從而算出聲功率級。

然而實際機器的振動卻很少是平而波，從遠場來看，很多尺寸不大的機電產(chǎn)品可以近似地看成是按球面波的形式向外輻射噪聲。所以對球面波的理論分析更接近實際。

顯然，對一個脈動球所輻射聲波的聲強，除與振動強度（V）有關(guān)外，還是波數(shù)（頻率和聲速的函數(shù)）、聲源尺寸的函數(shù)，也與脈動球的振動形式m有關(guān)，另外還反映了振動聲的輻射效率問題。實際機器的振動情況是比較復(fù)雜的，但只要能找到輻射效率曲線。根據(jù)公式就可得到聲強級（LI），再按測得聲強級所在面的面積可算出聲功率級Lw。

三.實際輻射效率的確定

任何一個機電產(chǎn)品運行后所輻射的噪聲都是來自于多個振源并具有較寬的頻率特征，絕大多數(shù)機電產(chǎn)品都是多個振源在各種頻率下振動的綜合，整體振型很復(fù)雜，所以，使純理論的推導(dǎo)難以進行。再加之機器表面近場又與遠場的噪聲會有較大差異，因而使理論上推導(dǎo)實際產(chǎn)品的輻射效率指數(shù)更為困難。

然而大量的試驗結(jié)果也反映了機電產(chǎn)品的振動與聲學(xué)特性確實有較強的規(guī)律性。首先是輻射聲場的規(guī)律性，在一定遠場（測試方法標(biāo)準所規(guī)定的距離）條件下，小尺寸產(chǎn)品都具有球面聲波輻射的特征，即使較大尺寸的產(chǎn)品所測結(jié)果都能與遠場測試結(jié)果一致。所以。它們的噪聲輻射規(guī)律可以歸于脈動球的聲輻射類型之中。對電機的模態(tài)分析結(jié)果可很清楚地看到，在單一模態(tài)頻率下，電機的振動很近于脈動球，只是大多都按二階和三階振型振動。

對電機、電器、電冰箱進行大量試驗研究，以求取這些產(chǎn)品的實際輻射效率指數(shù)，試驗研究程序大致這樣進行：
（1） 按不同尺寸結(jié)構(gòu)選擇系列的典型樣機，如電機從80到280機座都有，冰箱幾種容積結(jié)構(gòu)都有。
（2） 在樣機（電機、電冰箱、電器）的表面上確定有代表的振動區(qū)和相應(yīng)的典型測點，如電機有6~7個點；電器有4~5個點；冰箱則是29個點，在每個測點上按1/3倍頻程（有33個頻段）及A計權(quán)測定表面頻帶振動級及A計權(quán)振動級，同時，按國際和我國標(biāo)準的消聲室精密法的標(biāo)準測定各樣機的1/3頻帶聲功率級和A計權(quán)聲功率級，一般稱此為消聲室的聲壓級測定方法。
（3） 將表面振動測定結(jié)果與消聲室內(nèi)遠場聲壓級方法測得的結(jié)果進行統(tǒng)計分析（按1/3倍頻　　　帶及A計權(quán)）以求取各種產(chǎn)品的實際輻射效率曲線。

經(jīng)過對十多萬數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，我們得到了很有規(guī)律的10lgσ曲線，如圖1所示。圖中輻射效率指數(shù)曲線（曲線1、2、3）與大量實測值的相關(guān)性很強，相關(guān)系數(shù)三種產(chǎn)品都在0.9以上，電機為0.998，電器為0.989，電冰箱為0.903，充分顯示了機電產(chǎn)品實際輻射效率的規(guī)律性。也證明了用測量機電產(chǎn)品表面振動來確定其噪聲功率級的可行性。 幾種電產(chǎn)品實際輻射效率指數(shù)曲線
圖中：曲線0、1（實線）分別為脈動球0階及1階振動時的輻射效率指數(shù)曲線；
　　　曲線2（點劃線），為電機的輻射效率指數(shù)曲線
　　　曲線3（雙劃線），為電器的輻射效率指數(shù)曲線
　　　曲線4（虛線），為電冰箱輻射效率指數(shù)曲線

比較幾條曲線可見，電機最接近脈動球的曲線，幾乎介于0階與1階理論曲線之間，從電機的模態(tài)振型分析也可以證實其相似性。

四.實際應(yīng)用結(jié)果

按照實際輻射效率指數(shù)曲線制成計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，加入測振儀的放大線路中，再增加聲級計中規(guī)定的A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)。這樣測振儀就可以直接測得各產(chǎn)品的噪聲級了。由于在求取曲線時，是表面振動級與遠場求得的噪聲功率級之間關(guān)系得到的，所以曲線中已引入了對近場測試的修正。所以，由于這種加入計權(quán)網(wǎng)絡(luò)的測振儀測得的表面振動速度平均值,加上表面積對數(shù)的十倍，就可以作為該產(chǎn)品遠場噪聲功率級，對應(yīng)不同尺寸的聲源，輻射效率指數(shù)計權(quán)網(wǎng)絡(luò)是可按尺寸大小調(diào)節(jié)的。這樣，振動噪聲檢測儀的應(yīng)用范圍更廣了。

應(yīng)用這種儀器，對幾種產(chǎn)品驗證測試：

對比測試基礎(chǔ)是以在精密級半消聲室內(nèi)用相應(yīng)產(chǎn)品的國標(biāo)或國際標(biāo)準進行聲功率級測定計算結(jié)果為準。用振動法測定機器聲功率級可以有兩種狀態(tài)，一種是在消聲室內(nèi)相同運行狀態(tài)下對比測試，另一種則是生產(chǎn)線上現(xiàn)場振動法測定結(jié)果與消聲室聲壓法測定結(jié)果比較。

實際驗證結(jié)果的統(tǒng)計分析計算表明測振法測定機器聲功率級與在消聲室內(nèi)用聲壓法的測定結(jié)果有很強的相關(guān)性和較高的精度。幾種產(chǎn)品驗證測試的統(tǒng)計分析計算結(jié)果列入表1

表1振動法與消聲室聲壓法測定結(jié)果統(tǒng)計分析計算表

產(chǎn)品類別 兩方法相關(guān)系數(shù)r 兩方法平均差　 兩方法差的標(biāo)準偏差σn-1
電 機　　 0.999　　　　　 0.015dB　　　　 0.65dB
電 器　　 0.996　　　　　 -0.53dB　　　　 0.9dB
冰 箱　　 0.892　　　　　　0.67dB　　　　 0.98dB

實際驗證的結(jié)果足以證明振動法的生命力和可推廣性。如果其他各類產(chǎn)品都能得到相應(yīng)的實際輻射效率指數(shù)曲線那么測振法的應(yīng)用范圍將會更加寬廣。

從批量隨機抽樣的驗證結(jié)果還證明，振動法的測試精度是可以保證的，而且還相當(dāng)高。當(dāng)然，主要決定于實際輻射效率曲線的求取規(guī)律性是否很強，是否準確。

振動法的優(yōu)點在于可以避免空氣噪聲測試時由于背景聲和反射聲造成的影響，所以，對于現(xiàn)場噪聲控制時，可以在幾臺機器同時運行的情況下，分別測定各臺機器的噪聲，并進行分析。因此，也適用于電機的負載噪聲測量。特別是負載噪聲的測試方法今后將以差值疊加法為發(fā)展方向，使振動法的應(yīng)用更為有利。相信進一步的應(yīng)用會更加證明這種方法的優(yōu)越性。